液晶电视用LED背光模块发展动向.docx

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液晶电视用LED背光模块发展动向

液晶电视用LED背光模块发展动向

宁静

内容标题导览：

｜开发经纬｜LED点灯控制技术｜LED的散热技术｜结语｜

2004年第四季，SONY推出由R、G、B发光二极管（LED:

LightEmittedDiode；以下简称为LED）构成的背光模块液晶电视（图1）。

由于R、G、B产生的白光接近三原色的波长，因此该液晶电视的色再现范围高达105%的NTSC，比传统冷阴极灯管（以下简称为CCFL）构成的背光模块高1.5倍。

SONY针对LED背光模块进行许多改善措施，例如配合LED光源的发光特性，搭配特殊的彩色滤光膜片（colorfilter），藉此扩大液晶电视的色彩领域；此外复数LED点光源引发的辉度、色度不均等问题，则以LED的配置（Layout）方式，配合点灯控制技术作电气性补正，同时积极改善LED的散热问题，进而满足液晶电视高辉度的需求。

图1SONY开发的LED背光模块结构

开发经纬

SONY开发的LED背光模块的光学特性，大幅超越传统电视机常用的sRGB规格。

事实上sRGB规格是配合CRT的荧光体制定的原色点，目前包含电视影像播放系统也是采用相当于sRGB规格的色彩领域，因此相关业者对影像画质的细腻度与对比的关心，远大于画质的色彩再现性。

相较于电视机的色彩领域（简称为色域）局限在一定范围，类似数字相机、打印机的分辨率不断提高，因此采用扩大色彩空间的sYCC规格的「Exif2.2」，或是在RGB增加第4种色彩，藉此扩大色彩再现范围的研究，已经成为目前液晶电视系统厂商关注的焦点之一。

根据调查结果显示，使用RGB3原色的诸多不同类型显示器之中，利用雷射光当作光源的GLV投影机色彩领域最宽广，而LED的频率特性除了具备敏锐的峰值之外，它的制作技术与GLV的雷射二极管完全相同，所以理论上LED背光模块可当作液晶面板照明光源。

由于上述色票的色彩领域比Macbaschart宽广，一般认为非常接近自然界物体颜色的极限，所以笔者使用「MunsellColorCascade」、「Pointer’sColor」等768色高彩度色票，进行LED背光模块与传统电视机的色彩领域定量比较。

如图2所示若将Pointer’sColor色票插入显示器可显示的色彩领域中，观察该显示器的色彩再现百分比，结果发现CRT-TV与CCFL背光模块的液晶电视的色彩再现比率只有55%，使用LED背光模块的液晶电视则高达82%，其中又以CRT-TV无法显示的天蓝色系蓝色昆虫与深绿色、深红色，若改用LED背光模块的话，就可以获得令人满意的画质。

图2LED背光模块可涵盖自然界物体颜色的范围一览

图3传统电视不易显示的颜色一览

如图4所示，如果在CIE色度图的2次元色空间增加辉度方向，作3次元可显示的色彩领域比较的话，可以发现LED背光模块的效果非法显著，尤其是绿色与红色领域非常宽广，黄色与橙色部份的辉度方向更超越sRGB规范的色空间，呈现大幅扩张的倾向。

图4相同辉度的色彩表现能力的比较

事实上SONY开发现LED背光模块时，预期的问题是如何选择适当的LED达成宽色域化，以及如何配合LED光源特性，使彩色滤光膜片（colorfilter）可以充分发挥最佳组合效果。

此外随着LED背光模块的高辉度化产生的散热问题，以及RGBLED点光源造成的辉度与色度不均匀等问题，如何将辉度与色度控制在实用化容许范围，也是当初考虑项目之一。

一般液晶电视的辉度最低不可以少于450cd/m2，若以液晶面板的光线穿透率反推算背光模块的辉度，大约需要超过10000cd/m2以上的发光辉度，基于上述考虑该公司最后决定与美国LumiledsLighting公司共同开发背光模块专用的LED。

至于LED设置（layout）位置，可分为利用导光诱导光线照射板液晶面板的「侧边入光方式」，与LED设置在背光模块下方，直接照射板液晶面板的「直下入光方式」两种。

点光源LED若要达成上述高辉度的话，使用数量势必非常多，而且必需有非常宽阔的散热空间，因此SONY最后决定采取直下入光方式。

液晶面板的宽色域化取决于背光模块的光源分光特性，与彩色滤光膜片的分光穿透率特性两者的组合结果。

由于LED本身的色纯度分布有一定的结构性限制，所以必需搭配可以使穿透光的波长范围变窄，而且可以维持一定色纯度的彩色滤光膜片（图5）。

（a）新旧彩色滤光膜片与LED光源的关系

（b）新旧彩色滤光膜片与CCFL光源的关系

图5彩色滤光膜片搭配LED发光波长特性改善色漏现象

具体方法是降低各LED的发光特性与彩色滤光膜片交叉时产生的crosspoint，藉此抑制漏色现象，也就是说液晶面板RGB的subpixel邻近的合色，例如蓝色subpixel时，必需依照LED发光波长特性，改变彩色滤光膜片的Layout，藉此防止绿色LED的光线穿透。

为降低crosspoint，因此设计上刻意使邻接的彩色滤光膜片波长范围变窄，并适度调整彩色滤光膜片的波长范围，再配合LED的发光特性。

不过，极端改变整彩色滤光膜片的穿透特性，会影响膜片的光线穿透率，因此实际上蓝色滤光膜片的绿光（波长500nm）穿透量大约降低一半，绿色滤光膜片的红光（波长600nm）穿透量，则降低至数分之一左右。

有关高辉度、辉度与色度不均的对策，关键是RGB三种LED的Layout方式，根据反复实验结果显示，红光与绿光LED各2个与蓝光LED1个并排组合，驱动时可以获得色温极稳定的高辉度白光，此外为提高辉度必需增加绿光LED的光输出。

以人眼的视感度而言，假设绿光是10的话，红光是3.3，蓝光是1，因此利用RGB三种LED混合制作白光时，由于单体蓝光LED的光量比是1，红光是2.5，绿光是5，若要满足上述人眼的视感度特性，必需使用1个红光LED，2个绿光LED，1个蓝光LED的组合，亦即所谓的4sequence结构；然而由AlInGap化合物半导体制成的红光LED，它的光输出温度依存性比绿光、蓝光LED大（图6），基此考虑因此SONY的LED背光模块额外增加1个红光LED，形成「绿－红－蓝－红－绿」5sequence特殊结构。

图6红光LED的辉度温度依存性

有关色度不均的对策，主要方法是改变LED上方Lens的形状，使LED芯片产生的光线朝水平方向放射，如此便可以使RGB三种LED的光线更容易混色变成三波长白光。

SONY的LED背光模块，是在水平方向设置复数个5sequenceLED矩阵（array），而LED矩阵的行间间隔则是根据外侧侧面反射板的设置距离作最佳化设计。

虽然LED的配光特性（角度造成的放射量）取决于LED上方Lens的形状、芯片大小，发光波长，不过LED模块的行间间隔尺寸，却是基于合成后的辉度可以在背光模块的壁面内均匀化为主要考虑（图7）。

不过即使如此，若仔细观察背光模块壁面内的辉度，可以发现通过LED正上方Lens中心部位的光线，会形成球体状高辉度现象，若冒然改变LED正上方Lens的形状，使朝上方射出的光线分散则会有漏光问题，因此设于LED与扩散板之间的透明树脂的表面印刷网点pattern，藉此吸收、反射朝LED上方射出的光线（图8）、（图9）。

图7利用LEDLayout最佳化改善辉度均匀性

图8LED背光模块的断面结构

图9利用网点印刷形状消除局部色度不均匀现象

LED点灯控制技术

由于温度变化会影响LED的辉度与色彩，同时还会使LED加速劣化，因此LED点灯控制成为LED背光模块能否实用化的关键技术之一。

根本解决方法是采用LED发光监控技术，并改变LED的点灯方式，具体方法是针对化合物半导体制成的蓝光与绿光LED的顺向电流作非线形变化。

此外为调整白平衡改变各LED的辉度时，直流电流的变化量与辉度变化量不易取得关连性，因此理论上几乎无法作辉度微调动作。

面对LED数量众多而且要求在低辉度领域点灯的场合，直流点灯时各LED之间的cutoff电压分布，极易造成点灯不稳定与辉度、色彩分布不均的窘境。

有鉴于此SONY最后决定利用高成本PWM技术控制各色LED的电流，藉此提高辉度的控制性，因为只要使PWM的duty比发生变化，平稳的顺向电流变化与辉度变化，就可以获得线形关连性，而且PWM控制期间电流值可以保持一定值。

有关辉度与白色色度变化控制，则是利用感测技术监控辉度与白色色度，接着再透过控制专用运算（algorithm）作适时补正（图10）。

值得一提的是LED即使定电流点灯，随着时间的变化辉度也会发生变动，主要原因是LED本身的发光特性，与温度以及使用时间有密不可分的依存性。

其中又以辉度变化导致白光色度点偏离问题对画质影响最大，有效对策是在背光模块的侧面设置彩色传感器（colorsensor），随时检测RGB三色的光线强度，接着再根据传感器的输出信号控制辉度与白色色度。

有关辉度与白色色度变化适时补正的控制运算，它适用于施加电源后LED发生激烈的温度与辉度变动，或是长期使用时的辉度变动等情况。

如上所述红色LED的光束具有强烈的温度依存性，因此LED背光模块低温点灯时画面会偏红，经过一段时间才会收敛成为白色，不过SONY表示今后会设法克服该问题。

图10色彩控制系统方块图

LED的散热技术

为抑制LED产生的热量影响LED背光模块的辉度与白色色度，因此避免LED与LED背光模块累积热量，亦即所谓的散热设计也是非常重要的一环。

在此前提下必需使设有三种LED基板维持在一定温度范围内，此外液晶面板与LED背光模块的电路基板占用很大的面积，如何在局促的空间内作高效率散热，是散热设计上面临的挑战。

根据试作经验显示，利用冷却风扇作强化性冷却，LED背光模块可以获得均匀的散热效果，然而数量众多的冷却风扇所产生的噪音，可能会超过液晶电视允许的噪音规范值，因此最后决定采用热传导率极高的导热管（heatpipe）方式。

实际上导热管纵向排列方式，会出现上方温度比下方高的现象，甚至造成冷却管本身的热传导率极端恶化等结果。

至于导热鳍片（heatsink）的使用，则受到设于LED背光模块，中央部位两侧电路基板的限制，无法使用大尺寸导热鳍片，因此将冷却用大型散热鳍片设于背光模块背的两侧面，导热管则采取横向排列方式，如此一来LED产生的热量，便可以介由导热管传送到两侧面的散热鳍片散热。

设计上是根据LED产生的热量，计算导热管的热传输量再决定冷却管的断面形状，与冷却风扇的使用数量、尺寸、流量、位置等等。

由图11可知冷却风扇设于散热鳍片中央部位，冷却风扇抽取外部冷空气并从散热鳍片上方与底部排器出，如此便可大幅改善LED背光模块上、下温度的均匀性。

必需注意的是导热鳍片、导热管与组件的密合性，对散热效果具有绝对性的影响，因此必需使用高效率的热传导膜片，降低组件的密合性不良造成的热阻抗遽增等问题。

图11LED背光模块的冷却系统

结语

以上介绍液晶电视用LED背光模块的发展动向。

由于背光模块的消费电力占LCD面板系统总消费电力极高比率，加上传统CCFL背光模块的红光演色性偏低，因此一般认为具备低电力化、高光演色性，类似LED等全波长光源构成的背光模块，势必成为未来发展主流。